專利名稱：用于散斑減少的系統(tǒng)和方法
用于散斑減少的系統(tǒng)和方法優(yōu)先權(quán)本申請(qǐng)要求2008年8月29日提交的題為“用于散斑減少的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods for Speckle Reduction) ” 的美國(guó)專利申請(qǐng) No.12/200,963 的優(yōu)先權(quán)。相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2008年1月30日提交的題為“用于散斑減少的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods for Speckle Reduction) ” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) S/N61/024,802 的權(quán)益。本申 請(qǐng)還與共同待審和共同轉(zhuǎn)讓的2008年2月26日提交的題為“用于光學(xué)信號(hào)的偏振調(diào)制的 系統(tǒng)禾口方法(Systems and Methods for Polarization Modulation of an Optical Signal) ” 的美國(guó) 專利申請(qǐng)S/N12/072,426相關(guān)，但不要求其優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于光學(xué)信號(hào)調(diào)制的系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明的實(shí) 施例涉及用于減少激光投影圖像中可見(jiàn)的散斑存在的激光源和激光投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操 作方法。只要使用相干光源來(lái)照射例如屏幕的粗糙表面或產(chǎn)生漫反射或透射的任何其他 物體，就會(huì)產(chǎn)生散斑。具體地，屏幕或其他反射對(duì)象的大量小區(qū)域?qū)⒐馍⑸涑善瘘c(diǎn)不同且傳播方向不 同的大量反射光束。在觀測(cè)點(diǎn)，例如在觀測(cè)者眼中或在攝像機(jī)的傳感器處，這些光束建 設(shè)性地干涉以形成亮斑或破壞性地干涉以形成暗斑，從而產(chǎn)生稱為散斑的隨機(jī)顆粒強(qiáng)度 圖案。散斑可通過(guò)粒度和對(duì)比度來(lái)表征，對(duì)比度通常被定義為觀測(cè)面中的標(biāo)準(zhǔn)差與平均 光強(qiáng)之比。對(duì)于足夠大的被照射區(qū)域和足夠小的個(gè)體散射點(diǎn)大小，該散斑將是“完全顯 影的”，具有100%的亮度標(biāo)準(zhǔn)差。如果利用激光束在屏幕上形成圖像，則此類(lèi)顆粒結(jié)構(gòu) 將呈現(xiàn)噪聲或圖像質(zhì)量的嚴(yán)重降級(jí)。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種操作激光源的方法。根據(jù)該方法，產(chǎn)生 了傳輸普通投影數(shù)據(jù)的定義光學(xué)模式的多個(gè)子束。通過(guò)使激光源按順序連續(xù)通過(guò)多個(gè)正 交光學(xué)模式以控制子束的相位，利用激光源投影的圖像中的散斑對(duì)比度得以降低。附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明的特定實(shí)施例的以下詳細(xì)描述可在結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)被最好地理解， 在附圖中相同的結(jié)構(gòu)使用相同的附圖標(biāo)記指示，而且在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的激光投影系統(tǒng)的示圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的示圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的示圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的示圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的示圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的示圖；圖7a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的示圖7b是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的實(shí)現(xiàn)方式的示圖；圖7c是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的實(shí)現(xiàn)方式的示圖；圖7d是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分束和延遲單元的實(shí)現(xiàn)方式的示圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的在一區(qū)域上掃描的兩個(gè)子束的示圖； 以及圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的在一區(qū)域上掃描的三個(gè)子束的示圖。詳細(xì)描述首先參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具體實(shí)施例可在激光投影系統(tǒng)100的背景下進(jìn)行描述， 該激光投影系統(tǒng)100包括激光器30、激光驅(qū)動(dòng)電路20、激光投影光學(xué)裝置40、系統(tǒng)控制 器10以及投影像面50。激光器30可包括半導(dǎo)體激光器、光泵浦固態(tài)激光器、光纖激光 器或能進(jìn)行小波長(zhǎng)調(diào)制的任何其他類(lèi)型的激光器。圖1示出激光投影系統(tǒng)100被配置成 作為掃描投影儀工作的特殊情況，其中激光器30通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生例如綠色激光束的一 個(gè)或多個(gè)光束，和/或原始來(lái)自半導(dǎo)體激光器的例如紅色和藍(lán)色激光束的一個(gè)或多個(gè)光 束ο通過(guò)使激光源產(chǎn)生的光信號(hào)按順序通過(guò)多個(gè)正交光學(xué)模式，激光投影系統(tǒng)所產(chǎn) 生的圖像中存在的散斑對(duì)比度可被降低。光學(xué)模式可被定義為具有幾乎相同波長(zhǎng)和特定 相對(duì)光學(xué)相位的兩個(gè)或多個(gè)平行子束的集合。子束被投影到投影表面上，在該處它們產(chǎn) 生排列成特定圖案的光斑(對(duì)于平行光束，光斑將共線排列，即連接光斑中心的直線為 直線)。肉眼分辨元被定義為屏幕上的強(qiáng)度變化細(xì)節(jié)無(wú)法被給定觀測(cè)距離處的肉眼或照 相機(jī)分辨的面積。為了獲得良好感知的圖像質(zhì)量，通常選擇圖像中的像素?cái)?shù)量和圖像大 小以使單個(gè)像素大小與肉眼分辨面積可比擬或比肉眼分辨面積小。為了本發(fā)明的最優(yōu)操 作，需要多個(gè)光斑的組合面積小于肉眼分辨元的面積，從而使肉眼或照相機(jī)將所有光斑 視作僅一個(gè)光斑。因此，光斑的組合面積通常也將小于單個(gè)像素的面積。散斑減少通過(guò) 時(shí)間平均來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槊總€(gè)正交模式產(chǎn)生自身的統(tǒng)計(jì)無(wú)關(guān)散斑圖案，如果模式定序在比 肉眼的存留時(shí)間或照相機(jī)的積分時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)完成，則眼睛或照相機(jī)將平均化兩 個(gè)或多個(gè)統(tǒng)計(jì)無(wú)關(guān)的散斑圖案，從而散斑看起來(lái)將較不明顯。根據(jù)本發(fā)明，可利用波長(zhǎng)調(diào)制、分束以及光延遲使激光源在多個(gè)正交模式中循 環(huán)，以減少光柵掃描系統(tǒng)中的散斑而不會(huì)降低束質(zhì)量。如下文詳細(xì)討論，如果光信號(hào)被 分束成多個(gè)平行的子束，這些子束之間具有光程長(zhǎng)差1，且該激光源被調(diào)制以使光信號(hào) 在間距為波長(zhǎng)差△ λ的多個(gè)波長(zhǎng)之間迅速切換或振蕩，則可產(chǎn)生具有固定光相差的多個(gè) 平行子束。具有一個(gè)固定光相差的多個(gè)子束在此被定義為單個(gè)光學(xué)模式。在子束為靜 態(tài)(即未在屏幕上掃描或移動(dòng))，且使激光源按順序通過(guò)多個(gè)正交模式的情況下，可實(shí)現(xiàn)
的散斑對(duì)比度減少，其中S是由子束在屏幕上產(chǎn)生的總光斑數(shù)量。然而，在其它 實(shí)施例中，可在屏幕上掃描這些子束以照射像素內(nèi)的k照射區(qū)域。照射區(qū)域可被定義為 靜態(tài)平行子束所產(chǎn)生的一組光斑，或通過(guò)在時(shí)間上的固定時(shí)刻掃描子束所產(chǎn)生的一組光 斑。這些子束循環(huán)在被掃描或移動(dòng)至下一照射區(qū)域之前在每個(gè)照射區(qū)域處循環(huán)每個(gè)正交 模式。在該非靜態(tài)實(shí)施例中，可實(shí)現(xiàn)的散斑對(duì)比度降低。引入如本文中所描述的波長(zhǎng)調(diào)制顯著減少了必需的光程長(zhǎng)差1，從而能使用緊湊 投影系統(tǒng)100封裝。在不引入波長(zhǎng)調(diào)制的情況下，例如，超過(guò)相干長(zhǎng)度所需的延遲量(導(dǎo)致子束之間的隨機(jī)相差從而導(dǎo)致投影到屏幕上的光學(xué)模式的隨機(jī)排序)可能需要向緊湊 封裝中納入過(guò)大的光程。本發(fā)明可非常緊湊，且可在光信號(hào)強(qiáng)度無(wú)顯著改變的情況下實(shí) 現(xiàn)散斑對(duì)比度降低。因此，引入微型光柵掃描激光投影儀是合適的。此外，在頻率與掃 描激光圖像的像素率可比擬或更大時(shí)，可極快地執(zhí)行波長(zhǎng)調(diào)制。同樣，本發(fā)明與其它較 慢的散斑對(duì)比度降低方法相容，且可與其它此類(lèi)方法結(jié)合使用。再次參照?qǐng)D1，激光器30和激光投影光學(xué)裝置40協(xié)作，以利用激光源的原始光 信號(hào)或通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換(例如通過(guò)使用倍頻晶體)產(chǎn)生的信號(hào)在投影屏或投影像面50上產(chǎn) 生二維掃描激光圖像。激光投影光學(xué)裝置40可包括但不限于掃描反射鏡。例如倍頻半導(dǎo) 體激光器的激光器30可發(fā)射光信號(hào)101。如圖1所示，一些實(shí)施例可使用分束和延遲單 元110來(lái)將該光信號(hào)分束成多個(gè)子束，并在每?jī)蓚€(gè)毗鄰子束之間創(chuàng)建光程長(zhǎng)差1。為了最 優(yōu)圖像質(zhì)量和散斑減少的目的，子束通常應(yīng)當(dāng)平行。一旦進(jìn)入分束和延遲單元110，光信 號(hào)101就可被分離成至少兩個(gè)平行子束(例如子束A和子束B(niǎo))。在此使用兩個(gè)平行子束 僅為了說(shuō)明目的，因?yàn)榭僧a(chǎn)生任意數(shù)量的子束。子束A和子束B(niǎo)在分束和延遲單元110 中行進(jìn)兩個(gè)不同的路徑，以使這兩個(gè)子束之間存在光程長(zhǎng)差1。激光器30發(fā)射的光信號(hào) 101可被調(diào)制成在兩個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)之間交替或連續(xù)掃頻，這些波長(zhǎng)相距波長(zhǎng)差△ λ。根 據(jù)一些實(shí)施例，在子束A和子束B(niǎo)離開(kāi)分束和延遲單元110之后，子束A和子束B(niǎo)由掃 描反射鏡40重導(dǎo)向和掃描。這些子束然后被導(dǎo)向至投影像面50。分束和延遲單元110的具體設(shè)計(jì)選擇對(duì)于本發(fā)明正確起作用并不重要，只要兩 個(gè)或多個(gè)平行子束產(chǎn)生并行進(jìn)不同的路徑以獲得光程長(zhǎng)差1。存在將光信號(hào)101有效地分 束成兩個(gè)或多個(gè)平行子束以及將這些子束中的一個(gè)或多個(gè)延遲的許多種分束和延遲單元 110配置。參照?qǐng)D2-6，分束和延遲單元110將進(jìn)入光信號(hào)101分束成具有幾乎相等功率 的至少兩個(gè)子束。分束和延遲單元110可包括一個(gè)或多個(gè)分束器，分束器可用于將光信 號(hào)101分束成兩個(gè)或多個(gè)子束。如圖2所示，分束和延遲單元110可包括諸如50/50分束器的分束器102，以及 諸如全反射鏡的反射表面104。進(jìn)入光信號(hào)101的一部分從分束器102反射以形成第一子 束Α。進(jìn)入光信號(hào)101的一部分通過(guò)分束器102透射，并從全反射鏡104反射以形成第 二子束B(niǎo)。因?yàn)樽邮鳥(niǎo)行進(jìn)的光程比子束A行進(jìn)的光程長(zhǎng)，所以在這兩個(gè)子束之間存在 光程長(zhǎng)差1。根據(jù)該示例性實(shí)施例，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入光束的入射角來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)子束之間的間 距是可能的。圖3示出利用平面平行板106作為分束和延遲單元110的示例性實(shí)施例。平面 平行板106可提供多個(gè)平行子束(子束A-E)。進(jìn)入光信號(hào)101入射到平面平行板106的 分束面108上，其中進(jìn)入光信號(hào)101的一部分被反射以形成子束Α。進(jìn)入光信號(hào)101的 一部分也透過(guò)分束面108，然后從反射后壁107反射。該反射子束的一部分透過(guò)分束面 108以形成子束B(niǎo)。因?yàn)樽邮鳥(niǎo)行進(jìn)的距離比子束A更長(zhǎng)，所以在這兩個(gè)子束之間存在 光程長(zhǎng)差1。如圖3中所示，沿平面平行板106重復(fù)該過(guò)程，其中另外的子束以相同方式 形成(子束C、D以及Ε)。在每個(gè)毗鄰子束之間存在光程長(zhǎng)差1(例如子束A與子束B(niǎo) 之間、子束B(niǎo)與子束C之間等)。圖4示出示例性的分束和延遲單元110，該分束和延遲單元110包括梯形橫截面 棱鏡115和三角形橫截面棱鏡119。三角形橫截面棱鏡119的兩個(gè)朝外側(cè)涂有抗反射層，而梯形橫截面棱鏡115的兩個(gè)側(cè)壁114和116涂有全反射層。在分束表面112處相互毗 鄰的三角形橫截面棱鏡119和梯形橫截面棱鏡115的側(cè)面被涂覆成使光信號(hào)101束功率的 一部分被反射，且光信號(hào)101束功率的一部分透射。圖4中所示的示例性實(shí)施例的許多 其他變型是可能的。例如，三角形橫截面棱鏡119是不需要的，且可由分束表面112上 的具有部分束反射性質(zhì)的薄膜涂層替代。梯形橫截面棱鏡115也可以不是梯形，而是允 許光束在返回分束表面112之前反射兩次的任何形狀。如圖4中所示的示例性分束和延遲單元110所示，進(jìn)入光信號(hào)101可在位置113a 處入射到分束表面112上，以使兩個(gè)子束中的至少一個(gè)將在棱鏡115內(nèi)行進(jìn)至少一個(gè)來(lái)回 行程。當(dāng)光信號(hào)101到達(dá)分束表面112時(shí)，光信號(hào)101的一部分在點(diǎn)113a處被反射以形 成第一子束A。光信號(hào)101的一部分也透過(guò)分束表面112，并行進(jìn)第一來(lái)回行程部分，該 第一來(lái)回行程部分由點(diǎn)113b處的反射側(cè)壁114、點(diǎn)113c處的反射側(cè)壁116以及向點(diǎn)113d 處的分束表面112的返回所定義。這里，第一透射部分的一部分在點(diǎn)113d處透過(guò)分束表 面112以形成第二子束B(niǎo)。因此，子束B(niǎo)包括在行進(jìn)第一來(lái)回行程部分之后在點(diǎn)113a處 透過(guò)分束表面112的光信號(hào)101的一部分。接著，在第一來(lái)回行程之后，光信號(hào)101的另一部分在點(diǎn)113d處從分束表面112 反射，并行進(jìn)第二來(lái)回行程，該第二來(lái)回行程由點(diǎn)113e處側(cè)壁114的反射、點(diǎn)113f處側(cè) 壁116的反射以及點(diǎn)113a處向分束表面112的返回所限定。該信號(hào)的一部分然后透過(guò)分 束表面加入子束A。這些反射重復(fù)，以使子束A包括光信號(hào)101的反射部分和多個(gè)第二 來(lái)回行程部分，且子束B(niǎo)包括多個(gè)第一來(lái)回行程部分。通過(guò)將分束和延遲單元115向上 平移或向下平移以使入射點(diǎn)113a的位置沿分束表面112變化，可調(diào)節(jié)子束A與子束B(niǎo)之 間的間距?？捎?jì)算并修改每個(gè)子束的功率。在點(diǎn)113a處的第一次反射時(shí)，光信號(hào)101的功 率的一部分(通過(guò)X表示)將被反射到子束A中。在第一來(lái)回行程之后，(I-X) (I-X)部 分將透射到子束B(niǎo)中，且在第二來(lái)回行程之后，x(l-x) (1-x)部分將被透射到子束A中， 等等。假定在橫截面棱鏡115中的反射或傳輸上無(wú)損耗，且所有子束同相相加，則子束 A中的總功率將可定義為j = X(l + (l-X)2(l + X2+X4+X6 + …))=x 1+ -~-
ν U + ^yy 1 +叉，⑴根據(jù)相同的假定，子束B(niǎo)中的總功率可定義為5 = (1 —x)2(l + x +X6+...)= ( 一 = j—
1 + (2)為實(shí)現(xiàn)最大散斑對(duì)比度降低，所感知的每個(gè)子束的強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)相等?？汕蠼膺@兩 個(gè)方程以確保子束A和子束B(niǎo)具有相等功率(即，如果該實(shí)施例將光信號(hào)101分束成兩 個(gè)子束，則等于原始光信號(hào)101功率的約一半)。根據(jù)圖4中所示的示例性實(shí)施例，反射 功率χ應(yīng)當(dāng)為1/3或33.3%，且因此應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地配置分束表面112。為適應(yīng)分束和延遲 單元110中存在的任何損耗，可稍微調(diào)節(jié)最優(yōu)第一反射強(qiáng)度以在兩個(gè)子束中產(chǎn)生相等功 率。在本實(shí)施例中，因?yàn)樽邮诓煌诳諝獾牟牧现行羞M(jìn)，所以在每次連續(xù)來(lái)回行程和 反射之后離開(kāi)的子束A與子束B(niǎo)之間的光程長(zhǎng)差1等于梯形橫截面棱鏡內(nèi)的來(lái)回行程的物理長(zhǎng)度1乘以棱鏡材料的折射率n，因此1 = 1Χη。其他實(shí)施例可包括產(chǎn)生兩個(gè)以上平行子束的分束和延遲單元110。圖5中所示的 示例性實(shí)施例是包括棱鏡120的分束和延遲單元110，其中光信號(hào)101通過(guò)分束表面123 和反射表面122透射和反射，分束表面123和反射表面122被定位和配置成產(chǎn)生平行子 束A、B以及C。圖6的示例性實(shí)施例包括三角形橫截面124棱鏡和半矩形橫截面棱鏡 125。光信號(hào)101的一部分從分束表面126反射以形成子束A，同時(shí)光信號(hào)的一部分透過(guò) 分束表面126并在到達(dá)分束表面之前從涂有反射涂層的側(cè)壁128、130以及132反射。該 束的一部分透過(guò)分束表面126以形成子束B(niǎo)，同時(shí)該束的一部分從分束表面126反射并從 涂有反射涂層的側(cè)壁128、130以及132反射。然后光信號(hào)的該部分離開(kāi)該單元作為子束 C。圖5和6的實(shí)施例可通過(guò)將分束和延遲單元110相對(duì)于光信號(hào)101向左或向右平 移來(lái)產(chǎn)生更多或更少子束。通過(guò)在分束和延遲單元110的各表面上使用可變強(qiáng)度的反射 涂層，可實(shí)現(xiàn)子束A、B以及C的子束強(qiáng)度相等。例如，如果在圖5和6的示例性分束 和延遲單元中未使用可變強(qiáng)度涂層，則該信號(hào)的38.2%首先從分束表面反射，子束A、B 以及C將分別具有原始束功率的0.382、0.382以及0.236。激光投影系統(tǒng)可能需要允許一個(gè)或多個(gè)光信號(hào)(即輸入光束)被分束、延遲以及 重新組合成一對(duì)或多對(duì)平行偏移光束的分束和延遲單元，這一對(duì)或多對(duì)平行偏移光束具 有小于子束所產(chǎn)生的束斑的直徑的間距，諸如在離射束腰部一些距離的擴(kuò)展束下工作的 激光投影系統(tǒng)。圖7a的實(shí)施例示出了偏振分束和延遲單元110，該單元110利用兩個(gè)棱 鏡160、166來(lái)創(chuàng)建第一和第二分束表面162、164。第一分束表面162將具有一種偏振 狀態(tài)(例如S偏振狀態(tài))的光信號(hào)101的一部分反射和延遲，并透射具有另一種偏振狀態(tài) (例如P偏振狀態(tài))的光信號(hào)的一部分。被反射和延遲的子束B(niǎo)然后被反射，并與透過(guò) 第二分束表面164的子束A重新組合。輸入偏振應(yīng)當(dāng)在偏振狀態(tài)之間提供相等功率。只 要該屏幕是去偏振的，子束的偏振狀態(tài)就可以不同甚至正交，而不會(huì)影響散斑減少。該偏振分束和延遲單元可包括兩個(gè)反射鏡表面168和169，這些反射鏡表面168 和169可被偏置以在P和S子束離開(kāi)分束和延遲單元110時(shí)在它們之間提供橫向偏移。 更具體地，兩個(gè)反射鏡表面168和169從可提供兩個(gè)束以完美中心對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行重新組合的位 置偏移。還可根據(jù)子束之間的所需偏移來(lái)修改反射鏡的偏移。此外，可在能與束直徑比 擬的任何大小的偏移下實(shí)現(xiàn)該重新組合。本實(shí)施例允許這些束被投影和聚焦，以使它們 可在投影表面處分離，且本實(shí)施例還提供良好的幾何形狀和任意小的偏移，而不會(huì)阻擋 任何束。該偏振分離和延遲單元110可用于產(chǎn)生兩個(gè)以上子束。例如，圖7b示出偏振分 離和延遲單元110的實(shí)現(xiàn)方式，其中兩個(gè)光信號(hào)IOla和IOlb入射到偏振分離和延遲單元 110上。在通過(guò)偏振分離和延遲單元110之后，兩個(gè)輸入束IOla和IOlb分別被分離成子 束IOla'、IOla"以及IOlb'、IOlb"。光信號(hào)和子束在圖7b_d中被描繪為圓圈，它 們最終在投影表面上產(chǎn)生束斑。如上且如圖7a中所述，如果分束和延時(shí)單元110被實(shí)現(xiàn) 成掃描激光投影系統(tǒng)，則該實(shí)現(xiàn)方式產(chǎn)生與掃描線方向垂直的一組垂直子束。圖7c示出偏振分束和延時(shí)單元110的另一實(shí)現(xiàn)方式，其中兩個(gè)光信號(hào)IOla和 IOlb入射到第一分束表面162上。在該實(shí)現(xiàn)方式中，兩個(gè)光信號(hào)IOla和IOlb并排地入射到偏振分束和延時(shí)單元110上，該分束和延時(shí)單元110相對(duì)于圖7a中所示的位置轉(zhuǎn)動(dòng) 90°。因此，光信號(hào)IOla被分束成水平排列的兩個(gè)子束IOla'和101a"，或如果實(shí)現(xiàn) 成掃描激光投影系統(tǒng)則被分束成與掃描線方向平行的排列。同樣，光信號(hào)IOlb也被分束 成兩個(gè)子束IOlb'和IOlb"。因此，可實(shí)現(xiàn)圖7c的正方形子束排列。可使用兩個(gè)偏振分束和延時(shí)單元從單個(gè)光信號(hào)101產(chǎn)生圖7c的四子束排列。圖 7d示出利用兩個(gè)偏振分束和延時(shí)單元110a、IlOb從單個(gè)光學(xué)信號(hào)101獲得四個(gè)束的實(shí)施 例。光信號(hào)101入射在第一偏振分束和延時(shí)單元IlOa上，在該處被分束成子束IOla和 IOlb,如圖7a中所示和所描述。子束IOla和IOlb然后入射到第二偏振分束和延時(shí)單元 IlOb上，該第二單元IlOb如圖7c所描述和說(shuō)明地轉(zhuǎn)動(dòng)。第二偏振分束和延時(shí)單元IlOb 將子束IOla分束成子束IOla'和IOla"，且將子束IOlb分束成子束IOlb'和IOlb"。 注意，第二偏振分束的偏振軸與第一偏振分束的偏振軸成45°。該過(guò)程可在偏振分束器 的適當(dāng)安排下無(wú)限繼續(xù)，從而使每個(gè)偏振分束器處的子束數(shù)量倍增。為了產(chǎn)生上述散斑減少所需的正交光學(xué)模式，激光器30的光信號(hào)101被調(diào)制成 在一組波長(zhǎng)Xm= A0+mA λ中按順序變化，其中m是從0到M_1的正整數(shù)(M是所產(chǎn) 生的模式的總數(shù))，且λ ^是所產(chǎn)生的一組波長(zhǎng)的第一波長(zhǎng)。每個(gè)波長(zhǎng)與毗鄰波長(zhǎng)相距波 長(zhǎng)差Δ λ，該波長(zhǎng)差Δ λ被選擇成使
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嫩，(3).在按順序的每個(gè)波長(zhǎng)下產(chǎn)生新的正交光學(xué)模式。為實(shí)現(xiàn)最大散斑減少，以這樣 的方式產(chǎn)生的每個(gè)正交光學(xué)模式應(yīng)當(dāng)持續(xù)相等時(shí)間量，且在所產(chǎn)生的所有光學(xué)模式中循 環(huán)的組合時(shí)間應(yīng)當(dāng)小于照相機(jī)的積分時(shí)間或肉眼的存留時(shí)間。可利用不同的方法來(lái)產(chǎn)生所需波長(zhǎng)調(diào)制或切換，且該方法可取決于激光投影系 統(tǒng)100中所使用的激光器30的類(lèi)型。例如，系統(tǒng)控制器10可被編程為通過(guò)對(duì)激光器30 施加波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)制光信號(hào)101。例如，激光器30可以是產(chǎn)生530nm(綠色)輸出的 倍頻lOeOnm 二極管激光器，且二極管激光器芯片可以是具有相區(qū)、DBR(或波長(zhǎng)選擇) 區(qū)和增益區(qū)的三段式DBR設(shè)計(jì)。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，通過(guò)向此類(lèi)DBR和/或調(diào)相區(qū) 施加可變偏置形式的波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)同時(shí)保持增益區(qū)偏置恒定，可使此類(lèi)DBR激光器的輸 出波長(zhǎng)連續(xù)變化，或以與自由光譜區(qū)相等的幅度變化。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，當(dāng)周期性 地將激光器增益區(qū)電流迅速重置為零再返回至工作點(diǎn)時(shí)，DBR激光器隨機(jī)地選擇不同的 縱腔模，從而使激光器在多個(gè)波長(zhǎng)之間振蕩。波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)可以是任何類(lèi)型的信號(hào)，包 括但不限于方波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)、正弦波信號(hào)以及隨機(jī)信號(hào)，以使光信號(hào)101在間距 為Δ λ的多個(gè)波長(zhǎng)Xm之間切換或振蕩?？蓸?gòu)想，通過(guò)在比最小范圍ΜΔ λ更大的范 圍上調(diào)制激光器波長(zhǎng)(即該波長(zhǎng)可被調(diào)制ΜΔ λ的倍數(shù))，也可實(shí)現(xiàn)散斑減少。 更具體地，可由系統(tǒng)控制器10控制的激光器驅(qū)動(dòng)電路20可被配置成向激光器30 施加波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)。例如，激光器驅(qū)動(dòng)電路20可以是被配置成產(chǎn)生所需波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)的 電路系統(tǒng)。通常，向相區(qū)施加高頻AC (交流)偏置將導(dǎo)致輸出波長(zhǎng)的快速連續(xù)調(diào)制(掃 頻)，其調(diào)制幅度取決于偏置電壓(或電流)。向DBR區(qū)施加AC偏置將導(dǎo)致激光器30 在與腔模對(duì)應(yīng)的兩個(gè)或多個(gè)分立波長(zhǎng)之間迅速切換(已知為模式跳變的現(xiàn)象)，雖然該行 為可能取決于具體芯片設(shè)計(jì)。如果代替在M個(gè)值之間順序地改變(切換)波長(zhǎng)能實(shí)現(xiàn)相同或幾乎相同的散斑減少，則該波長(zhǎng)在包括所有波長(zhǎng)Xm的范圍內(nèi)以正弦或鋸齒方式來(lái) 回連續(xù)掃頻(振蕩)。根據(jù)本發(fā)明的激光器30的波長(zhǎng)調(diào)制可在納秒級(jí)別上非常迅速地執(zhí)行。對(duì)于DBR 激光器的示例，可在接近甚至超過(guò)IGHz的速率下調(diào)制DBR區(qū)或相區(qū)。作為示例而非限 制，當(dāng)將本發(fā)明納入具有XVGA圖像(1024X768像素)和60Hz幀率的圖像投影系統(tǒng)中 時(shí)，“像素率”為47.2MHz。因此，通過(guò)應(yīng)用本文中公開(kāi)的本發(fā)明，在對(duì)應(yīng)于單個(gè)像素 的顯示時(shí)間的時(shí)間段期間，平行子束的相位可改變?nèi)舾纱巍＜す馔队跋到y(tǒng)100所產(chǎn)生的 像素可形成以幀產(chǎn)生頻率產(chǎn)生的幀。波長(zhǎng)調(diào)制也可大于或等于幀產(chǎn)生頻率。作為快速波 長(zhǎng)調(diào)制的結(jié)果，本發(fā)明可與依賴于對(duì)眼睛或傳感器的響應(yīng)時(shí)間取平均的用于散斑對(duì)比度 減少的其他方法組合，但以較慢的速率工作，以獲得混合的效果。例如，用于投影的激 光束的偏振狀態(tài)可周期性地改變，且去偏振屏幕可用作圖像投影表面50。當(dāng)納入波長(zhǎng)調(diào)制時(shí)，分束和延遲單元110的大小可以非常小，因此例如適合于 納入微型投影儀中。為了實(shí)現(xiàn)大小僅幾毫米的分束和延遲單元110，所需的Δ λ可以是 數(shù)百納米量級(jí)。如果在本申請(qǐng)中使用倍頻晶體，則該大小的波長(zhǎng)調(diào)制正好在倍頻晶體的 典型光譜接受帶寬內(nèi)，且因此將不會(huì)在二次諧波轉(zhuǎn)換效率與激光器30輸出功率中引起顯 著變化。再次參照用于兩個(gè)子束示例的圖4，假定當(dāng)波長(zhǎng)為XtlCm = O)時(shí)梯形棱鏡115 內(nèi)部的一個(gè)來(lái)回行程的光程長(zhǎng)剛好等于λ ^的整數(shù)倍，且可忽略有助于子束A和第二子束 B的第一與第二來(lái)回行程長(zhǎng)度之間的小差別，如上所述。對(duì)于λ ^，離開(kāi)分束和延遲單元 110的所有來(lái)回行程部分同相，且因此子束A和子束B(niǎo)同相且具有相等功率。然而，當(dāng) 光信號(hào)101的波長(zhǎng)改變且等于λ ^Δ λ (即當(dāng)m= 1時(shí)為X1)時(shí)，光在每個(gè)來(lái)回行程上 被延遲半波。因此，有助于子束A的所有第二來(lái)回行程部分同相地相加，有助第二子束 B的所有第一來(lái)回行程部分同樣如此。因此，子束A和子束B(niǎo)具有相等功率，但相互具 有^相差。圖8示出等價(jià)于投影到屏幕50上的一個(gè)像素140的區(qū)域，該區(qū)域小于肉眼分辨 元。本發(fā)明的實(shí)施例可被配置成產(chǎn)生兩個(gè)靜態(tài)束斑142、143的集合，這兩個(gè)靜態(tài)束斑 142、143被定位于像素140內(nèi)以形成照射區(qū)域144。在其他實(shí)施例中，該組子束以掃描 線方向141在該像素上掃描，以產(chǎn)生與掃描線方向141垂直定位的兩個(gè)束斑142、143 (即 垂直于掃描線方向141的連接兩個(gè)束斑142、143的中心的虛線)。在這種情況下，當(dāng)子 束在像素140上掃描時(shí)，第一照射區(qū)域144形成，接著包括束斑142'和143'的第二照 射區(qū)域145產(chǎn)生。在所示實(shí)施例中，照射區(qū)域144、145應(yīng)當(dāng)是肉眼分辨元的一半或更 少。當(dāng)兩束橫越像素140的區(qū)域時(shí)，將產(chǎn)生四個(gè)獨(dú)立的散斑圖案兩個(gè)散斑圖案位于照 射區(qū)域144，其中子束首先同相然后具有相差π ；以及兩個(gè)散斑圖案位于照射區(qū)域145， 其中子束首先同相然后具有相差η。如本文所述，因?yàn)閮蓚€(gè)或多個(gè)散斑圖案之間的變化在比肉眼的響應(yīng)時(shí)間快很多 的時(shí)間級(jí)別上出現(xiàn)，所以對(duì)于靜態(tài)兩子束實(shí)施例，可實(shí)現(xiàn)約1/萬(wàn)的平均散斑對(duì)比度降 低。然而，當(dāng)在像素140上掃描這些子束以形成兩個(gè)照射區(qū)域(k = 2)時(shí)，兩個(gè)位置和 兩個(gè)正交光學(xué)模式等同于總計(jì)四個(gè)散斑圖案。散斑對(duì)比度減少量可表示為。因此，在圖8中所示實(shí)施例中，對(duì)比度將被降低1/2。為獲得最大的散斑對(duì)比度降低，對(duì)于離屏 幕的給定距離，平行子束照射的組合面積應(yīng)當(dāng)小于肉眼分辨力(諸如肉眼或傳感器的分 辨力)，從而對(duì)肉眼而言這些獨(dú)立光斑呈現(xiàn)為一個(gè)照射斑。為了散斑減少最大，所產(chǎn)生的光學(xué)模式必須是正交的。如此處所定義的正交狀 態(tài)意味著這些模式在照射屏幕上的同一區(qū)域時(shí)產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)無(wú)關(guān)的散斑圖案。如下文所示， 正交要求形成光學(xué)模式的平行子束之間存在與子束數(shù)量相關(guān)的特定相差，并確定所需的 波長(zhǎng)差Δ λ和相應(yīng)的光程長(zhǎng)差1。通過(guò)在適合于子束的相的組中循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)的散 斑對(duì)比度減少，其中S是子束的總數(shù)或子束所產(chǎn)生的光斑總數(shù)。每組相組成不同的正交 光學(xué)模式。每個(gè)子束數(shù)量s(s是從1到S的整數(shù))將在肉眼處產(chǎn)生武的散斑幅值，其 中^ 是模數(shù)m的子束數(shù)s的相位(m是從0到M-I的整數(shù)，其中M是模式的數(shù)量)。當(dāng) 被照射的全部區(qū)域在一個(gè)像素中時(shí)——即在一個(gè)投影肉眼分辨區(qū)中時(shí)，可對(duì)來(lái)自所有子 束S的幅值求和以給出該像素的感知強(qiáng)度
權(quán)利要求
1.一種操作激光源的方法，所述方法包括產(chǎn)生限定光學(xué)模式的多個(gè)子束，其中所述多個(gè)子束傳輸共同的投影數(shù)據(jù)；以及 控制所述子束中選定的數(shù)個(gè)子束的相位，以使所述激光源按順序連續(xù)通過(guò)多個(gè)正交 光學(xué)模式，從而降低利用所述激光源投影的圖像中的散斑對(duì)比度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)子束被投影以在公共像場(chǎng)像素中 產(chǎn)生多個(gè)相應(yīng)的束斑，所述公共像場(chǎng)像素的面積小于或等于肉眼分辨元。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 一組所述多個(gè)束斑在公共像場(chǎng)像素中形成照射區(qū)；以掃描方向在所述公共像場(chǎng)像素上掃描所述多個(gè)子束，從而產(chǎn)生多個(gè)照射區(qū)；以及 在每個(gè)照射區(qū)使所述激光源按順序通過(guò)所述多個(gè)正交光學(xué)模式。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)束斑垂直于所述掃描方向排列。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器按順序通過(guò)的所述正交光學(xué)模 式的數(shù)量等于針對(duì)每個(gè)模式所產(chǎn)生的子束數(shù)量。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，光學(xué)模式m下的選定子束s的相位被控制成
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光源包括被配置成產(chǎn)生光信號(hào)的激 光器，且所述多個(gè)正交光學(xué)模式通過(guò)以下步驟產(chǎn)生將所述光信號(hào)分束成多個(gè)子束， 在各個(gè)子束之間產(chǎn)生光程長(zhǎng)差1，以及在包括λ^mA λ的一組調(diào)制波長(zhǎng)上調(diào)制所述光信號(hào)的波長(zhǎng)，其中 λ C1是所述光信號(hào)的原始波長(zhǎng)，m是從0到M-I的正整數(shù)，其中M是正交光學(xué)模式的總數(shù)，以及 Δ λ是每個(gè)調(diào)制波長(zhǎng)之間的波長(zhǎng)差。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述光信號(hào)在所述調(diào)制波長(zhǎng)處離散地交替 發(fā)射，或在所述調(diào)制波長(zhǎng)上來(lái)回連續(xù)掃頻。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述波長(zhǎng)差Δλ由下式確定
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于以圖像像素率在多個(gè)圖像像素上掃描所述多個(gè)子束；將所述多個(gè)圖像像素安排成限定以圖像幀率在投影表面上出現(xiàn)的圖像幀；以及以大于或等于圖像幀率除以模式數(shù)量M的商的頻率調(diào)制所述光信號(hào)的波長(zhǎng)，以使用 不同模式投影每個(gè)連續(xù)幀。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，以大于或等于圖像像素率乘以模式數(shù) 量M的積的頻率調(diào)制所述光信號(hào)的波長(zhǎng)，以使所述光信號(hào)在每個(gè)像素中在M個(gè)模式中變 化。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述激光器包括相控區(qū)、波長(zhǎng)選擇區(qū)以及增益區(qū)；以及通過(guò)向所述激光器的相控區(qū)或波長(zhǎng)選擇區(qū)施加波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)制所述光信號(hào)的波長(zhǎng)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光源包括 激光器，被配置成產(chǎn)生至少一個(gè)光信號(hào)；以及至少一個(gè)分束和延遲單元，被配置成將所述光信號(hào)分束成多個(gè)子束，并在各個(gè)子束 之間產(chǎn)生光程長(zhǎng)差1。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述光程長(zhǎng)差1由IXn限定，其中1是 所述分束和延遲單元中的一個(gè)來(lái)回行程的物理長(zhǎng)度，且η是所述分束和延遲單元的折射率。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括，通過(guò)調(diào)節(jié)光信號(hào) 入射在分束表面上的位置或角度來(lái)調(diào)節(jié)毗鄰子束之間的間距。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述分束和延遲單元包括至少一個(gè)分束 器和至少一個(gè)反射表面，以使所述光信號(hào)的一部分從所述分束器反射，且所述光信號(hào)的 一部分透過(guò)所述分束器并從所述反射表面反射。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述至少一個(gè)分束器包括第一和第二偏振分束表面，該第一和第二偏振分束表面被 配置成透射具有第一偏振狀態(tài)的光信號(hào)的一部分，且反射具有第二偏振狀態(tài)的光信號(hào)的 一部分；所述至少一個(gè)反射表面包括第一和第二反射鏡；所述反射部分由第一偏振分束表面、第一和第二反射鏡以及第二偏振分束表面反 射；以及將所述第一和第二反射鏡偏移，以使所述光信號(hào)的透射和反射部分離開(kāi)所述分束和 延時(shí)單元成為之間具有間距的兩個(gè)平行子束。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述間距小于所述兩個(gè)平行子束的直徑。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述分束和延遲單元包括平面平行板。
20.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述分束和延遲單元包括具有至少一個(gè) 分束表面和多個(gè)反射棱鏡壁的一個(gè)或多個(gè)分束棱鏡。
21.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述分束和延遲單元進(jìn)一步被配置成梯 形橫截面棱鏡，該棱鏡包括被配置用于部分反射的分束表面和被配置用于全反射的至少 兩個(gè)棱鏡壁。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)子束包括從所述分束表面反射的光信號(hào)的一部分，以及在所述分束和延遲單元中行進(jìn)多個(gè)來(lái)回行程的光信號(hào)的部分。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述分束和延遲單元進(jìn)一步包括毗鄰分 束表面定位的三角形橫截面棱鏡。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述分束和延遲單元進(jìn)一步包括所述分 束表面上的薄膜涂層。
25.—種包括激光源和系統(tǒng)控制器的激光投影系統(tǒng)，其特征在于所述激光源包括產(chǎn)生限定光學(xué)模式的多個(gè)子束的激光器，其中所述多個(gè)子束傳輸共 同的投影數(shù)據(jù)；以及所述系統(tǒng)控制器被編程為控制所述子束中選定的數(shù)個(gè)子束的相位，以使所述激光源 按順序連續(xù)通過(guò)多個(gè)正交光學(xué)模式，從而降低利用所述激光源投影的圖像中的散斑對(duì)比
全文摘要
提供了一種操作激光源的方法。該方法通過(guò)產(chǎn)生多個(gè)統(tǒng)計(jì)無(wú)關(guān)的散斑圖案來(lái)減少所投影圖像中的散斑對(duì)比度。該方法包括產(chǎn)生限定光學(xué)模式的多個(gè)子束。該方法進(jìn)一步包括控制選定子束的相位，以使激光源按順序連續(xù)通過(guò)多個(gè)正交光學(xué)模式。多個(gè)正交模式產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)無(wú)關(guān)散斑圖案，從而通過(guò)時(shí)間取平均降低利用激光源投影的圖像中的散斑對(duì)比度。
文檔編號(hào)G06F3/038GK102016763SQ200980115734
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者D·V·庫(kù)克森考弗, M·亨普斯特德 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司